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자동차의 전자제어 시스템은 엔진의 운전상태를 전기신호로 바꾸어 컴퓨터로 전달하는 각종 센서와 이 신호를 분석, 판단해 연료 인젝터의 밸브 열림량이나 시간을 결정하는 ECU로 구성되어 있다.
ECU에는 각종 센서로부터 엔진 회전수, 흡입 공기량, 시동신호, 스로틀 밸브의 열림 정도, 냉각수 온도, 흡기온도에 대한 정보가 보내진다. 이것을 받은 ECU는 미리 짜여진 프로그램에 의해 최적의 분사량을 계산, 연료 인젝터에 명령을 내리는 순서로 처리하게 된다.
전자제어 엔진의 제어계통에는 각종 센서가 달려있다. 배기가스에 함유된 산소의 양을 측정하는 산소 센서, 흡입 공기량을 검출하는 공기유량 센서, 스로틀 밸브의 열림정도를 검출하는 스로틀 포지션 센서, 엔진 냉각수온을 검출하는 수온센서, 흡입 공기온도를 검출하는 흡입온도 센서 등 많은 종류의 센서가 있다.
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산소센서는 배기가스 중 함유된 산소의 양을 측정해 그 출력전압을 컴퓨터(ECU)로 전달하는 역할을 한다. 컴퓨터는 산소센서의 신호를 받아 인젝터의 시간을 제어해 항상 이론 공연비에 가깝도록 자동 조정함으로써 촉매변환기의 정화율을 높여준다.
 센서 감지부 내측은 대기가 흡입되고 외측은 배기가스가 접촉된다. 이 때 산소농도 차이에 의해 기전력 이 발생한다. 발생 전압은 0.1V에서~0.9V 정도이다. 하지만 이 기전력은 항상 발생하는 것은 아니며 일정한 조건일 때만 작동한다. 즉 배기 온도가 약 250℃ 이상 때 작동을 시작해 약 400∼800℃사이에서 원활하게 작동한다.
산소센서는 이러한 작동조건 하에서 이론공연비인 14.7:1을 유지하기 위해 ECU와 함께 지속적으로 정보 를 주고받아 피드백 작동을 하는 센서이다.
하지만 배기 온도가 200℃ 이하 때에는 피드백 작동이 이루어지지 않아 유해 배출가스가 그대로 대기로 방출된다. 따라서 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 산소센서에 히터 선을 따로 연결해 엔진이 워밍업 전이라도 산소센서가 작동하도록 돕고 있다.
산소센서의 종류로는 질코니아와 티타니아형이 있지만 대부분 질코니아 방식을 많이 쓴다. 산소센서는 열을 받으면 기전력이 발생하는 특징이 있기 때문에 '전압을 만들어 내는 발전기'라고도 한다.
AFS (Air Flow Sensor)
공기유량 센서는 칼만와류 방식, 맵센서 방식, 베인식, 핫와이어 방식, 핫필름 방식 등 5가지 종류가 있다. 이 가운데 칼만와류 방식만 펄스제어 방식이고 나머지는 모두 전압검출 방식이다. 즉 칼만와류 현상을 전기적 디지털 신호로 바꾸어 ECU로 보내면 ECU는 흡입 공기량 신호와 엔진 회전수를 이용해 기본 분사량과 시간을 계산하도록 하는 중요한 센서이다.
응답성이 빠른 순서로 본다면 핫와이어 방식, 핫필름 방식, 칼만와류 방식, 베인식, 맵센서 방식 순이다. 고장이 잘 나는 순서로 본다면 칼만와류 방식, 베인식, 핫필름 방식, 핫와이어 방식, 맵센서 방식 순이다.
공기유량 센서 중 조정이 가능한 센서는 베인식 뿐이다. 배기량에 따라 호환성 있게 조정이 가능한 센서로는 칼만와류 방식이 있다.
맵센서 방식이나 핫와이어, 핫필름 방식은 배기량에 따라 종류가 틀리다. 핫와이어 방식과 핫필름 방식은 흡입되는 방향으로 센서부에 표시되어 있는 화살표 방향으로 조립해야만 아이들 상태가 정상이 되므로 주의해야 할 센서이다.
엔진 ECU에는 공기량 신호가 입력되어야만 시동이 걸리는 방식이 있는 반면 공기량 신호가 들어오지 않아도 TPS 신호와 엔진rpm 신호로 대처해 시동이 걸리게 하는 방식도 있다.
[공기유량 센서의종류 및 기능]
① 핫와이어 방식 : 백금선(Hot Wire)과 온도센서와의 온도차에 따른 전류를 이용해 일정하게 유지 하도록 제어
② 핫필름 방식 : 얇은 백금 필름(Hot Wire)과 온도센서와의 온도차에 따른 전류를 이용해 일정하게 유지 하도록 제어
③ 칼만와류 방식 : 칼만와류 현상을 이용, 흡입공기량을 측정한후 전기적 신호로 바꾸어 ECU로 전달하면 ECU는 흡입 공기량 신호와 엔진 회전수 신호를 이용해 기본 분사시간을 결정
④ 베인식 : 실린더에 흡입되는 공기량을 에어플로미터르 이용채 간접 계측
⑤ 멥센서 방식 : 흡기 매니폴드의 압력변화, 즉 엔진의 부하변동을 전기적 신호로 바꾸어 ECU로 전달(간접 계측)
WTS (Water Teperature Sensor)
수온센서는 흡기다기관 냉각수 통로에 설치되어 냉각수 온도를 검출하는 일종의 가변저항기(부특성 서미스터)이다.
온도센서 신호가 ECU로 입력되면 냉각수온도 센서값에 따라 냉간 때에는 엔진rpm을 보상시켜 주고 엔진 온도가 높아지면 높아진 만큼 엔진 rpm을 저하시키는 역할을 한다. 즉 냉간 때 아이들rpm 보상, 농후한 혼합기 공급, 점화 진각 등의 역할을 한다.(대우차의 경우) 열간 때(냉각수 온도 105℃ 이상)에는 전동 팬을 고속으로 회전시켜주는 역할을 한다.
만약 온도센서가 고장으로 판정되면 엔진 오버히트를 방지하기 위해 ECU가 라디에이터 팬을 고속으로 구동시킨다. 인젝터 분사방식이 순차분사인 경우 냉각수 온도가 낮게 입력되고, 셀프모터 신호가 들어올 때는 연료분사를 동시분사로 바꾸어 냉간 때 시동을 원활하게 해주는 역할도 겸하고 있다.
또한 온도센서 페일 세이프 기능에서 온도센서가 고장 때 ECU에서 20℃로 감지하는 타입과 80℃로 감지하는 타입이 있다. 80℃로 감지하는 타입은 20℃로 감지하는 타입보다 냉간 때 시동이 잘 걸리지 않는 현상이 생길 수도 있다.
ATS (Air Temperature Sensor)
흡기온도 센서는 에어플로 센서와 함께 일체로 되어있는 방식과 흡기온도 센서만 독립적으로 달려있는 방식이 있다. 2가지 모두 엔진으로 흡입되는 공기온도 변화에 따라 저항값이 변하는 일종의 NTC 저항 이다.
 ECU는 내부 저항을 통해 약 5V의 전압을 센서 측으로 공급해 준다. 이때 센서의 저항값에 따라 시그널 전압은 공기온도가 낮을 때 높아지고, 공기온도가 높을 때 낮아진다. ECU는 이 전압값을 감지해 공기 온도를 계산하고 점화진각, 분사량, 공회전 속도 등을 정밀 보정하는 역할을 한다.
흡기온도 센서가 고장일 때는 엔진 rpm이 1200 정도 올라간 후 아이들 상태로 잘 내려오지 않는 현상이 생긴다.
자기진단 고장코드가 입력될 때 서비스 데이터를 보면 -28℃로 표시되는 경우가 있다. 이것은 커넥터 접촉불량이거나 흡기온도 센서 결함일 때이므로 점검할 때 유의해야 한다.
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흡기온도 센서와 냉각수온 센서 온도값에 따른 저항값 |
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엔진온도(℃) |
저항값(Ω) |
엔진온도(℃) |
저항값(㏀) |
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120 |
99.8 |
60 |
0.67 |
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110 |
131 |
40 |
1.46 |
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105 |
152 |
20 |
3.51 |
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100 |
177 |
10 |
5.67 |
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95 |
205 |
0 |
9.42 |
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90 |
240 |
-10 |
16.1 |
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80 |
332 |
-40 |
100 |
대기압 센서는 스트레인 게이지의 저항치가 압력에 비례해 변화하는 것을 이용해 압력을 전압으로 변화 시키는 반도체 피에조 저항형 센서이다. 대기압 센서는 칼만와류 방식에서 사용하다가 지금은 칼만와류 방식에서도 사용을 안하고 있다.(우리나라에서는 고지대가 별로 없기 때문에)
대기압 센서는 AFS센서에 설치되어 대기의 압력에 비례하는 아날로그 전압으로 변화시켜 ECU에 보내면 ECU는 이 신호로 자동차 의 고도를 계산하게 된다.
예를 들어 고지대에 도달하게 되면 산소가 적어 희박해짐에 따라 연료 분사량을 평지에서처럼 분사할 경우는 전체적으로 농후한 상태가 될 것이다. 그러므로 적정한 공연비가 되도록 연료의 분사량을 조절 하며 동시에 점화시기도 조정하는 것이다.
대기압 센서의 결함 때에는 평지에서도(대기압 상태) 시커먼 연기가(CO가 증가) 나올 수 있으므로 점검 때 유의해야 한다. 센서에 입력되는 전압은 5V이지만 출력값은 대기압 상태 760mmHg에서는 4V, 750 에서는 3.8V, 770에서는 4.2V가 출력된다.(즉 3.8∼4.2V 사이는 정상)
공회전 스위치 또는 아이들 스위치라고도 한다. 스로틀 보디에 독립적으로 설치된 방식과 TPS에 내장된 방식이 있다. 모두 접점식이며 스로틀 밸브가 공전상태에 있으면 ON신호가 ECU로 입력된다. ECU는 이 신호에 의해 적정한 공전상태를 제어하게 된다.
 예를 들어 아이들 스위치가 정상적으로 작동하지 않을 때에는 가속불량으로 이어질 수도 있고, AT의 경우는 기어 변속상태가 잘 이루어지지 않을 수도 있다. 만약 아이들 스위치 신호 ON/OFF가 정상적으로 작동되지 않을 때에는 정확한 연료분사를 하지 못해 차가 가속순간 즉 비동기 분사가 이루어지지 않아 순간적으로 가속상태가 나빠지기도 한다.
☞ ECU가 자동차 엔진에 연료를 분사하는 방식에는 동시분사, 그룹분사, 순차분사 방식이 있다. 이것은 실린더 행정에 따라 일정주기로 연료를 분사하는 동기분사이다. 이와는 달리 비동기분사는 동기분사 처럼 일정한 주기로 분사하는 것이 아니라 비 정기적으로 분사하는 것을 말한다.
TPS (Throttle Position Sensor)
스로틀 포지션 센서의 종류에는 접점식과 가변저항식이 있다. 구형 로얄 EFI나 캐피탈 DOHC 등은 접점 식을 썼으나 요즘에는 거의 대부분 가변저항식을 사용하고 있다.
TPS는 스로틀 보디에 설치되어 스로틀 밸브 열림량을 검출한다. 또한 공전상태, 가속상태, 감속상태, 전부하 상태 등을 ECU에 알려주어 연료 분사량을 결정하고 점화시기를 보정하며 부하 상태에 따라 에어컨 컴퓨레서 단속기능까지 하고 있다.
AT의 경우 TPS값에 따라 변속패턴이 틀리다. 따라서 변속시기가 잘못된 자동차들은 TPS값으로 조정할 수 있다. 즉 TPS값이 규정보다 낮으면 변속이 빨리 이루어지고 TPS값이 높으면 변속이 늦게 이루어 진다.
TPS 값은 0.5V가 규정값이다. AT의 경우 0.45∼0.73V의 범위에서 조정이 가능하다. 벤딕스 타입에서는 TPS 값 변동으로 인한 고장 트러블이 거의 없다. 하지만 지멘스 타입에서는 고장 트러블이 가끔 생겨 난다.
고장현상은 주행하다가 브레이크 밟으면 공전 rpm을 유지해야 되는데, 약 1500rpm 정도에서 엔진 rpm 이 내려오지 않는 현상이 생기기도 한다. 이 때 배터리 선을 떼어내 소거시키면 정상으로 돌아온다. 하지만 운행을 시작하면 다시 엔진 rpm이 떨어지지 않는 현상이 발생되므로 주의해야 한다.
<자료출처: "Car & TECH" 2000년 2월호>
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